【大家之言】基于直饮水目标的供水水质提升战略思考
高标准供水水质，是市政供水行业长期追求的目标。从整体产业链的战略高度深挖本质，寻找破题之策，是当前国内供水行业所重点努力的方向。日、欧、美等国家和地区通过多年实践，在优质供水方面取得了一定的成果，为我国的供水行业提供了经验和示范。本期邀请舒诗湖博士通过自身的思考与实践，基于直饮目标的供水水质提升，提出自己的战略思考。
舒诗湖
上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司
舒诗湖，男，博士，高级工程师。现任南方水中心研发部副经理，主要从事供水管网系统安全运行理论研究与工程实践，参加并主持完成了国家重大科技专项（水专项）、英国皇家学会基金中英合作项目、上海市博士后科学基金等十几项课题，参编2项建设部行业标准，主编1项、参编4项上海市地方标准。作为最年轻的上海市学科（技术）带头人之一，2015年入选中国工程建设标准化协会专家库和上海科委专家库。
供水水质保障、优化运行管理，是市政供水行业永恒不变的目标和重点。随着《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）的正式实施，围绕如何全面提升水质的研究和工程实践正在全方位的开展。事实上，供水水质保障、优化管理运行，是供水行业全产业链周期共同努力的结果，需要从水源取水、水厂制水、市政输配水、二次供水等多方面分别总结经验、挖掘潜力点，从规划阶段入手进行优化，从而实现水质的全面提升。
他山之石，可以攻玉。部分国外发达国家在市政供水行业已取得了不少值得借鉴的成功经验。本文基于直饮目标，通过援引匈牙利布达佩斯和日本东京的一些成功做法，从原水、水厂、管网、二次供水等角度，提出一些可供我国供水行业参考的观点和想法。
原水水质，是城市供水水质的“起点”，不同的原水水质直接决定了该地区在水厂工艺上的选择及处理成本。以我国长三角某市为例，该地区现水源地为五类地表水，为了确保出厂水全面达标，该地区在常规处理工艺基础上采用了多级深度处理组合工艺，处理难度大且处理成本很高，同时由于原水水质的情况比较复杂，不同季节水质变化大，饮用水安全风险还是偏高。
近年来，国务院出台了“水十条”，加大了对自然水体保护及对水体污染的惩处力度。然而对于不少已受到一定污染的水体而言，水体修复仍需要一个循序渐进的过程。“水十条”的实行，可以在一定程度上缓解水体的进一步污染，但恢复原有水质仍有较长的周期。中华人民共和国城镇建设行业标准《生活饮用水水源水质标准》（CJ 3020—93）是我国唯一一部针对水源水质要求的专业标准，但到目前已23年未进行修订，实际上已经不被采用。由于23年后的水源水质已发生很大变化，部分受到污染的水源地存在较大的水质安全风险，且后续水厂制水成本也将居高不下，亟须从地表水和地下水等方面入手修订新的水源水质标准并上升为国家标准。
缺少相应的水源水质标准，无法通过国家标准的指导将一些无法满足水源地基本要求的水体限制在水源地选择之外，是我国不少地区在水源地选择问题上走弯路的主要原因。一些以河流为水源的城市，根据实际情况和城市发展需要，取水位置阶段性向上游转移，虽然原水水质在不同阶段均得到了一定的提升，但期间难免会重复产生高昂的工程建设成本。我国在流域水质保护方面相对比较欠缺，以长江为例，其流域途经多个省市，上游城市的排污口位于下游城市饮用水源的上游，对下游水源水质势必会有影响。关于流域治理可借鉴国外经验，途经欧洲多个国家的多瑙河于1998年10月成立了欧洲流域管理方面最大的国际组织——多瑙河保护国际委员会，其目的是执行《多瑙河保护公约》。委员会包括 6个部门，防洪部（发展可持续的防洪规划）、流域管理部（实施欧共体水框架协议）、生态部（负责与水资源相关的生态事宜）、排放部（控制点和面排放源上的污物）、水质部（负责监测和评估水质）以及事故控制和预防部（发展减少事故危险的策略和规划，执行事故预警系统）。《多瑙河保护公约》明确污染者负担原则与预防原则是对多瑙河流域内水采取保护措施的基础。要求各国减少向多瑙河排放污水量，改善干支流的水质，实施沿岸地区的区域合作，建立污染监测系统；对沿岸污废水处理厂进行调查，对其中急需更新的，投入资金进行改造。在其他国家，类似“上游地区排污口必须被设立在下游地区取水口的下游”的呼吁也有所报道。
综上所述，不少国家在水源地的选择上，都采用水源地保护（机制和法律）与水源地科学选择（水源水质标准为依据）双管齐下的方法，通过水源水质标准，首先明确了可作为水源的选择范围，一经选定，再通过水源地保护措施，进一步保护当地的水源水质，使水源地工程一劳永逸，风险可控。当原水水质得到充分的保证后，后续水厂工艺亦可化繁为简，从全局的角度节约整体的供水成本。
随着近年来国内众多水厂深度处理工艺工程的上马，以及膜技术、新型药剂的研发和使用，对于水厂工艺的讨论逐渐成为热点，结合国外发达国家的成功案例，部分从绿色可持续角度和工艺的适配性角度所提出的观点，值得国内供水行业参考与借鉴。
2.1水厂绿色工艺是未来发展的趋势
化学法是我国大部分水厂成熟应用的工艺，通过投加混凝剂、助凝剂和消毒剂，可满足基本的净水需求，然而近年来随着水质检测手段的丰富、对抗生素、消毒副产物等新兴污染物研究的深入，发现化学法存在一定的安全隐患。
中国工程院院士曲久辉曾提出 “物理技术是值得关注的清洁水处理方法”的观点，指出物理方法因不需要额外投加化学药剂，也不存在生物污染等问题，被认为是清洁的水处理技术。近年来，物理方法被广泛研究，胡钧[7]结合纳米层面的微观水研究进程，提出了包括纳米材料、纳米微气泡等多种前瞻性的水处理技术。
匈牙利布达佩斯以多瑙河地下含水层为水源，沿多瑙河两岸79km范围内，分布建设了739座共29组过滤井，过滤井分布示意如图1所示。过滤井深18~22m，使河水通过河岸（地下砂砾石层），自然地进行慢滤，使水质得到净化（河岸边取水示意如图2所示）。慢滤净化后水体有机物浓度很低，达到欧盟供水水质标准，且只要0.3mg/L的加氯量即可有效维持消毒效果，消毒剂沿程衰减很小，制水成本很低。
图1 布达佩斯多瑙河沿岸过滤井分布示意图
图2 布达佩斯多瑙河沿岸取水示意图
可见，以物理方法为主的绿色制水工艺，应当是未来水厂发展的趋势。但是绿色工艺的落地，需要建立在优质水源的基础上，且岸滤、膜过滤等物理工艺普遍存在的制水产量低的问题，也需要通过合理的输配水系统（高位水池调蓄等工程措施）进行配合。
2.2深度处理工艺的选择
国内不少城市和地区，普遍将水中有机物含量指标（耗氧量等），作为判断该地水厂是否采用臭氧活性炭深度处理工艺的判断依据。《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）参考日本标准，将耗氧量出水限值限定为3mg/L（原标准为5 mg/L），导致一些采用常规工艺的微污染地表水源水厂无法满足耗氧量这一个指标被要求建设深度处理工程。然而事实上，耗氧量作为水体有机物含量的综合指标，并不能简单地作为饮用水安全的绝对指标进行判断。在国外水质指标体系中，WHO和美国标准对此不做要求，欧盟标准将耗氧量限值确定为5mg/L，也侧面佐证了这一观点。长期安全供水的基础是精确确定风险，实施风险评估。因而针对水厂升级改造工艺的选择，应当研究出一套更科学、更详细，基于历年运行数据所得出的具有不同指标污染发生频率和污染程度的分析方法，罗列出该地饮用水主要污染风险，并结合当地人群用水习惯等客观因素，合理选择工艺。如仅仅根据一两个指标来判断是否采用臭氧活性炭或超滤膜等深度处理工艺，容易在部分地区带来“大材小用”的效果，也容易给当地水司的运营带来过重的经济负担。
相对于水源与水厂，市政输配水管网系统往往是最容易被忽视，却对供水安全和优化运行至关重要的关键所在，其中尤以管网漏损、管网中的二次污染最为突出。然而，管网是一个系统工程，对管网的改扩建，受限于城市整体规划、地下空间利用和市政道路使用等各方面因素，特别在大城市等建成区存在维护难、改造难等问题。但对于新建城区，借鉴欧美和日本的相关经验，从规划入手建立完善、科学的管网系统仍具有一定的可行性和价值。
3.1管网区块化的设计理念
我国大部分地区的管网采用环状、网状设计。由水厂或加压泵站出发，管网如网状分布于城市的地下空间，存在管网漏损控制难、水量平衡管理难、水压高低调节难等问题。日本和欧洲部分地区通过研究和实践，已部分实现了区块化、阶层化管网布局的设计和应用，即将整个城市地区划分为若干区块，第一层次主干管负责从水厂输水至各区块配水池，第二层次由区域配水池向本区域用户配水（若管网规模大还可继续分区分阶层供水）。区块与区块之间采用唯一或少量的进出水总管进行连接，区块内再按照网状或树状形式进行设计，日本某地区第一层次管网区块化设计(b)与传统网状设计(a)示意对比如图3所示。区块化的优势在于将城市整体的管网管理工作化繁为简，通过于不同区块之间的进出水总管安装监控设备，可便捷获取该区域内的水量变化、水压变化和水质变化情况，精确缩小可能发生管网漏损、管网水质污染的范围，有利于管网的维护和故障排除，保障水质。部分区域内陆势落差较大的区块中，还可以合理利用地势落差建设高位水库，采用夜间补水、日间重力流供水的模式，进一步节能降耗，优化运行的经济性。
(a) 传统网状设计 (b) 日本某地区第一阶层管网区块化设计
图3 日本东京市某地区第一阶层管网区块化设计与传统网状设计对比示意图
3.2结合综合管廊建设的新城区供水官网分布建设理念
新建城区实际水量和设计水量在建成初期的巨大差距，是我国不少新城区面临的普遍问题。不少新城区规划用水量较大，供水总管均采用大口径配套建设。但建成初期，由于居民入住存在阶段性（不少新城区初始入住率尚不足设计值的20%），不少新城区的用水量远低于设计水量，导致大口径总管中水流速度较慢，延长了出厂水在管网中的停留时间，容易产生水质恶化的情况。实际上，基于综合管廊建设，新城区可采用预留管位、管网分步建设的方案，即供水总管采用多根小管径管道分步铺设的方案，在初始入住率低时，仅铺设一条小口径总管，但预留管位待入住率提升后再行铺设第二条小口径总管，以此类推，以保障供水水质不随用水量变化影响。
3.3多级消毒理念的探索与实践
出厂水余氯是供水生物安全性的重要保障手段之一。由于我国城市面积较大、管网线路较长，为保证管网末端仍有足够的余氯，不少水厂的出厂水余氯数值较高，高达2mg/L左右。然而，过高的出厂水余氯，容易和水中有机物结合，产生致癌消毒副产物，从而对饮用水带来新的安全问题。发达国家普遍重视出厂水余氯的限值，以日本为例，日本严格限定出厂水的余氯应≤1mg/L，值得我们思考和借鉴。考虑到我国管网长、水质相对较差的实际客观情况，结合中途加压泵站引入多级消毒理念应当是未来发展的趋势。通过多级消毒，即通过管网水质模型优化加氯点和加氯量，一方面使水从出厂到龙头间保持相对稳定的平均氯含量，保证消毒灭菌效果；另一方面也能够有效控制管网中余氯的最高浓度，有效规避消毒副产物的污染问题。
3.4高压高流速供水模式的可行性
受限于管网材质和施工技术，为尽可能保障管网的安全运行，我国大部分地区均采用低压供水模式，我国供水服务标准也推荐管网末端的设计压力扬程为14~16m，低压供水必然会带来减少漏损率、减少曝光率等优势，但与之相对的，低压低负荷供水导致国内大量管道中流速<0.1m/s，且必须使用二次加压、水池水箱等二次供水设施，给二次供水系统的建设的管理、管网及二次供水设施中的水质保障都带来的隐患。近年来，随着管材质量和施工技术的不断升级和优化，对于新建城区而言，已具备了建设高压供水系统的可行性。以美国为例，部分出厂水压力水头达到了50~80m，英国伦敦Ring Main供水管网中的压力扬程也达到了40m，高压高流速有效保障了管网水质，简化了供水系统整体的维护难度。我国在供水规划国家标准中已提出了末端设计压力扬程达到28m 的要求，意味着对于新建城区而言，管网压力已基本满足多层（6层）建筑的供水需要，可大量减少多层建筑地下水池和屋顶水箱的使用率，对于进一步保障输配水过程中的水质安全，有可观的积极作用。
全面提升供水水质，牵涉到从水源、水厂到管网的综合性的课题。我国作为发展中国家，市政供水领域仍处于不断的摸索和发展过程中，更需要通过更前瞻的思考、借鉴国外发达国家的成功案例，探索出适用于我国实际情况的供水模式。本文所提出的观点，仅为抛砖引玉，供参考与探讨。
关键词：岸滤
匈牙利首都布达佩斯位于欧洲中部，多瑙河沿岸。布达佩斯自来水公司成立于1868年，现状服务人口200万，需水量60万m3/d，供水能力99.5万m3/d。该自来水公司采用过滤井取水，经处理后向城市供水。
过滤井分布多瑙河沿岸，总长度为79km，共29组，739个过滤井（分布见图1）。过滤井过滤层采用厚8~15m，水井深18~22m，过滤材料为地下砂砾石层（取水方式见图2）。通过河岸过滤，自然的进行物理、化学以及生物处理使水质得到净化处理。河岸取水取自地下含水层，地下含水层具有很强的蓄水能力，保证水量充足。取水井方式采用渠井、竖井、钻井、以及水平井，虹吸或独立系统取水。
布达佩斯供水区域分为南区、北区、以及中心区。其中城市南区设有净水厂，主要用于除铁除锰，经加氯消毒后向城市供水；北区以及中心城区不设净水厂，经加氯消毒后直接向城市供水。供水全区域分为88个压力区域，通过45个清水池，102个泵站进行压力提升与调节。全区域贮水能力33.8万m3，为现状需水量的56.3%。区域共设有3个中途加氯，保证区域供水水质安全。
关键词：区块化
日本东京市某地区某水厂处理能力为686万m3/日，给水所（配水池）的蓄水能力大约为321万m3，约为处理能力的46.8%。规划送水管网为双环形式，其中一部分仍处理完善中（见本期封面图）。有些给水所（配水池）针对进流压力过高情况，设置有小型水力发电装置，以取得节能效益。
作为上海市最年轻的技术带头人之一，舒诗湖博士在市政管网方面做了大量的研究工作。上海作为国际化大都市，近年来高度重视供水水质的提升和保障水平，对上海供水行业的体制创新提出了新的要求。舒诗湖博士结合自身海外留学和技术考察经验，及多年研究成果的总结，提出的从水源、水厂、管道到二次供水的创新思路，能够为我国新城镇的建设提供新的参考。然而，创新的思路仍需要更多的深入研究和工程实践加以论证和完善，仍期待有更多相关企业提供有效信息，参与共同研究。
净水技术
WPT
《净水技术》杂志是面向广大市政给排水、工业水处理、建筑给排水和水环境治理等行业，以宏观综述、理论研究、应用经验、工程案例和工程信息为主要报道内容的核心期刊，最新发布的2014年度复合影响因子0.961，在土木建筑工程学科中排名第15位。
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